淺析土壤污染與修復技術

陶貴榮,王莉衡

（西安文理學院生命科學系,陜西西安 710065）

淺析土壤污染與修復技術

陶貴榮,王莉衡

（西安文理學院生命科學系,陜西西安 710065）

作為環境和生態系統重要的組成部分,土壤極易被污染,土壤污染是環境和土壤科學研究者近年來關注的熱點。綜述了土壤污染的來源、特點及危害,介紹了各種修復方法,認為生物修復是今后土壤污染治理技術的發展方向。

土壤污染;污染物;防治;生物修復

土壤是地理環境的重要組成要素,是能夠生長植物的地球疏松表層,具有獨特的組成成分、結構與功能,是十分復雜的系統。土壤與其它環境要素（如水分、大氣、養分、生命體等）互為外在條件,相互聯系、相互影響。因此,土壤是生態環境的重要組成部分,是人類賴以生存的主要資源之一,是地球上生命活動不可缺少的物質。

土壤污染是全球主要環境污染問題之一,它可引起和加劇水體、大氣、生物等環境要素的污染,進而影響人類,并造成危害。土壤污染是環境污染的重要環節,主要通過改變土壤的組成、結構和功能,影響植物的正常生長發育,導致有害物質在植物體內累積,并通過食物鏈進入人體,最終危害人體健康。近年來,隨著經濟的不斷發展,大量廢水、廢氣和固體廢物的排放,土壤污染日趨嚴重,對生態環境、食品安全、人體健康和社會經濟可持續發展構成嚴重威脅,成為重要的社會與環境問題[1,2]。因此,對污染土壤進行修復,恢復土壤生態功能迫在眉睫。

1 土壤污染的涵義及其來源

1.1 土壤污染的涵義

土壤污染是指通過多種途徑進入土壤的有毒有害污染物的數量和速度超過了土壤的容納能力和凈化速度,造成土壤的物理、化學和生物學性質、組成及性狀等發生變化,破壞了土壤的自然動態平衡,從而導致土壤自然功能失調、土壤質量惡化、作物的生長發育受到影響、產品的產量和質量下降,產生一定的環境效應（水體或大氣發生次生污染）,并可通過食物鏈對生物和人類構成危害[3～5]。土壤污染的明顯標志是土壤生產力下降。

1.2 土壤污染物的來源

凡是進入土壤并影響到土壤的理化性質和組成而導致土壤的自然功能失調、質量惡化的物質,統稱為土壤污染物。土壤污染物的種類繁多,既有化學污染物也有物理污染物、生物污染物和放射性污染物等。按污染物的性質一般可分為：有機污染物、重金屬污染物、放射性污染物和其它類型的污染物。土壤污染物種類繁多,其來源也十分復雜（表1）。

2 土壤污染的特點與危害

2.1 隱蔽性和滯后性

土壤污染是污染物在土壤中長期積累的過程,它不像大氣、水和廢棄物污染那樣通過感官就能發現,易被人們及時察覺。土壤污染往往要通過對土壤樣品進行分析化驗和檢測才能發現,其后果要通過長期攝食污染土壤生產的植物產品的人畜健康狀況才能反映出來。因此,土壤污染從產生污染到出現問題通常會滯后較長的時間,具有隱蔽性和滯后性。日本的“痛痛病”便是一個典型例證,該病發生于20世紀60年代,直至70年代才被人們所認識,證實是當地居民食用被含鎘廢水污染了的土壤所生產的“鎘米”所致[5,6]。

表1 土壤污染物及其主要來源[5]Tab11 Pollutan ts in soil and their main origins

2.2 累積性和不可逆轉性

有毒有害的污染物進入土壤后會與土壤中其它物質發生一系列吸附、置換、反應、結合等作用,這些過程多數為不可逆的,因此作用后形成的難溶化合物在土壤中不斷積累而超標。污染物質在大氣和水中都比較容易遷移,而在土壤中相對較難。

2.3 難治理性和后果嚴重性

由于大氣和水的流動性較好,所以當它們受到污染后,只要切斷污染源并通過稀釋和自凈化作用就能使污染減輕,但在土壤中由于形成了難降解的復合污染物,僅僅切斷污染是不行的,一旦土壤受到污染,就極難恢復。被某些重金屬污染的土壤可能需要100～200年才能夠恢復。因此,土壤污染必然導致農作物減產,還會通過食物鏈的積累危害人類健康。

3 污染土壤的防治與修復

3.1 污染土壤的防治

防治土壤污染,必須貫徹“預防為主”的方針。而控制和消除土壤污染源,是防治污染的根本措施。控制進入土壤中的污染物的數量和速度,使其在土壤中緩慢自然降解,而不致大量積累造成土壤污染。

控制和消除土壤污染源的措施有：（1）控制和消除工業“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）的排放,加強綜合治理;（2）控制化學農藥和化肥的使用,積極研制低毒、低殘留的高效農藥新品種;（3）加強糞便、垃圾和生活污水的無害化處理;（4）加強污水灌溉區的監測、管理與控制等[7]。

3.2 污染土壤的修復

污染土壤的修復主要有三種方法：物理修復法、化學修復法和生物修復法。采用物理或化學方法（如熱處理法和化學浸出法）修復污染土壤,雖然可以產生一定的實效,但費用昂貴、容易造成二次污染,不適于大面積應用。生物修復是指在一定的條件下,利用土壤中的各種微生物、植物和其它生物吸收、降解、轉化和去除土壤環境中的有毒有害污染物,使污染物的濃度降低到可接受的水平,或將其轉化為無毒無害的物質,恢復受污染生態系統的正常功能[8,9]。生物修復法近幾年發展非常迅速,同傳統的物理和化學方法相比,生物修復法具有成本低、效果好、不產生二次污染、可以削弱乃至消除環境污染物的毒性等優點,適于大面積土壤的修復[10],因而逐漸被人們所重視和廣泛接受。

根據機理的不同,生物修復主要可以分為三種類型：植物修復、動物修復和微生物修復。

3.2.1 植物修復

植物修復是指利用植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的特性,或利用植物及其根系微生物與環境之間的相互作用,對污染物進行吸附、吸收、轉移、降解、揮發,將有毒有害的污染物轉化為無毒無害物質,最終使土壤功能得到恢復。植物修復技術因具有安全、成本低、就地、土壤免遭擾動、生態協調及環境美化功能等特點,又被稱之為綠色修復。作為一種新興、高效、綠色、廉價的生物修復途徑,植物修復技術已得到廣泛認可和應用,尤其在重金屬污染土壤修復方面特別顯著。

根據修復作用、過程和機理的不同,植物修復可分為以下三種方式：植物提取、植物穩定和植物揮發[11]。植物提取,即利用植物耐受并積累土壤中的污染物,將它們輸送并貯存在植物體的地上或根部,待收獲后進行處理,主要包括熱處理、微生物處理和化學處理;植物穩定,即植物在與土壤的共同作用下,將污染物固定,以減少其對生物與環境的危害;植物揮發,即利用植物將土壤中的污染物吸收到體內后將其轉化為氣態物質釋放到大氣中。其中,植物提取是目前研究最多并且最有發展前景的一種去除土壤中重金屬的方法。研究不同植物對金屬離子的吸收特性,篩選出超量積累植物是植物修復研究的關鍵。中國科學院在湖南、廣西等地找到大面積分布的蕨類植物蜈蚣草,發現蜈蚣草對A s具有很強的超富集功能,其葉片含A s高達8‰（質量分數）,大大超過植物體內的氮、磷養分比例[12]。

3.2.2 動物修復

動物修復是利用土壤中的動物吸收和積累有毒有害污染物,可在一定程度上降低土壤中污染物的比例,達到修復和治理污染土壤的目的?？苡谰V等[13]研究了重金屬污染土壤中不同鉛濃度梯度下蚯蚓在培養期內對鉛的富集量,結果表明,蚯蚓對鉛有較強的富集作用,且隨鉛濃度的增加,蚯蚓體內的鉛富集量也增加;單位質量蚯蚓培養期內吸收鉛量與鉛濃度梯度表現出極顯著性差異。

3.2.3 微生物修復

微生物修復是利用某些微生物對土壤中有毒有害污染物具有吸收、沉淀、氧化、還原和降解等作用,從而降低或消除土壤中污染物的毒性。

微生物降解有機污染物的技術在廢水處理中的應用已有幾十年的歷史,而將微生物降解技術有意識地大規模應用于受污染的土壤治理僅僅十幾年。美國、日本、歐洲等發達國家對微生物修復技術進行了研究,并完成了一些實際的處理工程,從而證實微生物修復污染土壤有效、可行[14]。

海灣戰爭期間,科威特被破壞的油田流出的原油造成500多公頃的油污染土壤,使20%的國土受到了污染。1994年,日本科研人員在含油2%～40%的土壤中添加氮、磷等微生物營養要素及木屑等,在適宜的實驗環境與條件下,合理管理,15個月后取得了良好效果,土壤中所含油分可降解75%～85%[10]。

近幾年,我國科研人員在生物修復方面也做了大量的基礎性研究工作[10]。曹德菊等[15]利用大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌對重金屬離子Cu、Cd進行生物修復,結果發現,當環境中 Cu、Cd濃度較低（≤5 mg·L-1）時,微生物修復性能良好,重金屬去除率可達25%～60%;而當Cu、Cd濃度較高時,微生物修復性能下降,且不同菌體對Cu、Cd的修復存在一定差異。袁紅莉等[16]在遼河油田的渣油中富集分離菌株,使芳香烴的降解率達到80%、降解時間由60 d縮短到30 d。潘學芳等[17]研究了微生物降解前后石油烴組分的變化和細胞內外烴組分的變化,結果表明,菌體細胞與原油的吸附很緊密,并在成分上有一定的選擇性,然后被不加修飾地運輸到細胞內。

4 結語

隨著全球經濟的快速發展,有毒有害污染物通過各種途徑進入土壤,持久性有機污染物的危害開始顯現,土壤污染面積擴大。土壤污染不但影響農產品產量與品質,而且涉及大氣和水環境質量,并可通過食物鏈危害動物和人類的健康,影響環境安全和社會穩定。開展生物修復技術的研究將推進生物技術在環境保護中的應用,并將通過生物高科技的發展帶動整個環?？萍嫉陌l展,解決我國目前和未來面臨的嚴峻的環境保護問題,對我國環境保護和社會經濟發展具有重大意義。

[1] 陳懷滿.環境土壤學 [M].北京：科學出版社,2005：6213.

[2] 韓素清,遲翔.土壤污染的類型及影響和危害[J].化工之友,2007,（3）：32234.

[3] 竇貽儉,李春華.環境科學原理[M].南京：南京大學出版社,1998：97.

[4] 高偉生,肖德楨,宇振東,等.環境地學[M].北京：中國科學技術出版社,1992：1472167.

[5] 陳晶中,陳杰,謝學儉,等.土壤污染及其環境效應[J].土壤,2003,35（4）：2982303.

[6] 陳懷滿.土壤-植物系統中的重金屬污染[M].北京：科學出版社,1996：127.

[7] 林強.我國的土壤污染現狀及其防治對策[J].福建水土保持,2004,16（1）：25228.

[8] 陳堅.環境生物技術[M].北京：中國輕工業出版社,2000：55256.

[9] 沈德中.污染環境的生物修復[M].北京：化學工業出版社,2002：55256.

[10] 丁愛芳.生物技術在污染土壤修復中的應用[J].安徽農學通報,2008,14（23）：79280.

[11] 張桂香,趙力,劉希濤.土壤污染的健康危害與修復技術[J].四川環境,2008,27（3）：1052109.

[12] 俞佳,戴萬宏.土壤重金屬污染及其修復研究[J].環境科技,2008,21（S2）：79281.

[13] 寇永綱,伏小勇,侯培強,等.蚯蚓對重金屬污染土壤中鉛的富集研究[J].環境科學與管理,2008,33（1）：62264.

[14] 張從,夏立江.污染土壤生物修復技術[M].北京：中國環境科學出版社,2000：1602161.

[15] 曹德菊,程培.3種微生物對Cu、Cd生物吸附效應的研究[J].農業環境科學學報,2004,23（3）：4712474.

[16] 袁紅莉,楊金水,王占生,等.降解石油微生物菌種的篩選及降解特性[J].中國環境科學,2003,23（2）：1572161.

[17] 潘學芳,倪秀珍,王浩.菌株SD21對石油烴類降解機理的初步研究[J].長春師范學院學報,2002,21（2）：49251.

Discussion on Soil Pollution and Remediation Technology

TAO Gui2rong,WANG L i2heng
（Faculty of L ife Sciences,X i′an University of A rts and Science,Xi′an710065,China）

A s a major component of both the environment and the ecosystem,soil could be contaminated eas2 ily.Environment and soil scientistswere paying more and more attention to the issuesof soil pollution.The pa2 per studied the o rigins,characteristics and dangers of soil pollution and discussed different kinds of technology fo r its remediation.The result p roves bio remediation is the o rientation of treatment of soil pollution among all kinds of treatment methods.

soil pollution;pollutant;p revention and remediation;bio remediation

X 53

A

1672-5425（2010）06-0004-03

國家自然科學基金資助項目（20802057）,陜西省教育廳自然科學專項課題資助項目（06JK199）

2010-01-03

陶貴榮（1963-）,男,陜西西安人,副教授,研究方向：植物生理生化。E2mail：hengheng_1103@163.com,guirongt63@ya2 hoo.com.cn。